Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации компонента в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме фазы.
Более плотную фазу (определяющую форму поверхности) принято называть адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться – адсорбтивом, уже адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.
КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АДСОРБЦИИ
Для количественного описания адсорбции применяют три величины.
1. Избыточная, или гиббсовская адсорбция (Гi).
Это избыток i-го компонента в поверхностном слое по сравнению с его количеством в объеме фазы, приходящийся на единицу площади поверхности.
(2.9)
где и – молярная концентрация i-го компонента соответственно в поверхностном слое и в объеме фазы, V3 – объем поверхностного слоя, который принято считать двухмерным и равным 1 см2, S1,2 – площадь поверхностного слоя.
Учитывая, что молярная концентрация, умноженная на объем, – это количество вещества,
|
|
, моль/дм2 (2.10)
2. Абсолютная адсорбция.
В тех случаях, когда способность вещества к адсорбции резко выражена, и вследствие этого >> и >> адсорбцию характеризуют величиной Аi, называемой абсолютной адсорбцией.
, моль/дм2 (2.11)
где – количество вещества в поверхностном слое
3. Удельная адсорбция.
В тех случаях, когда измерить площадь поверхности S1,2 трудно, количество i-го компонента (или его массу ) относят к массе адсорбента m, используя величину удельной адсорбции :
моль/кг или кг/кг. (2.12)
Если адсорбтивом является газ, вместо его количества (моль) или массы (кг) применяют его объем, исходя из того, что при нормальных условиях (0°С, 1 атм) 1 моль любого газа занимает объем, равный 22,4 дм3. Тогда удельная адсорбция измеряется дм3/кг.
Если Гi, Аi, > 0, адсорбцию называют положительной (в дальнейшем термином «адсорбция» будем называть именно положительную адсорбцию), если Гi, Аi, < 0, то имеет место отрицательная адсорбция.
КЛАССИФИКАЦИЯ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
В зависимости от природы адсорбционных сил, адсорбция может быть физической и химической.
Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия.
Вы помните, что если молекулы полярны, возникают ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. В случае неполярных молекул возможны только дисперсионные взаимодействия.
Особенности физической адсорбции:
1. Обратимость. Имеет место динамическое равновесие:
Сорбция Десорбция.
Десорбция обусловлена тепловым движением. Например, при адсорбции уксусной кислоты на угле на поверхности возникает адсорбционный комплекс:
|
|
С + СН3СООН С * СН3СООН | ||
адсорбент | адсорбтив | комплекс |
При десорбции комплекс разрушается и адсорбтив выделяется в химически неизменном виде.
2. Малая специфичность. На полярных адсорбентах адсорбируются полярные вещества, на неполярных – неполярные.
3. Незначительная теплота адсорбции (теплота, которая выделяется при адсорбции). Она составляет всего 8 – 40 кДж/моль, т. е. соизмерима с теплотой конденсации.
4. С повышением температуры адсорбция уменьшается: <0 и. так как увеличивается скорость десорбции.
Химическая адсорбция (хемосорбция) возникает в результате химической реакции между адсорбтивом и адсорбентом с образованием нового поверхностного соединения. Процесс происходит только на поверхности адсорбента.
Особенности химической адсорбции:
1. Необратимость. При десорбции с поверхности уходит поверхностное соединение. Десорбция обусловлена какими – то внешними воздействиями.
Например, адсорбция кислорода на угле:
С + О2 С * СО2 | ||
адсорбент | адсорбтив | комплекс |
При нагревании происходит десорбция:
С*О2 С + СО2 | |
адсорбционный комплекс | новое химическое соединение |
2. Специфичность. Адсорбция происходит, только если возможна химическая реакция.
3. Высокая теплота адсорбции, которая может достигать 800 – 1000 кДж/моль, т. е. сопоставима с тепловыми эффектами химических реакций.
4. Повышение температуры приводит к увеличению хемосорбции, так как увеличивается скорость химического взаимодействия.
В дальнейшем мы будем рассматривать только физическую адсорбцию и поэтому будем ее называть просто адсорбцией (рис. 2.2).
Рис.2.2. Классификация в зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива.